1 / 24

ИТЭФ , 24 ноября 2011

Газовые детекторы для модернизации эксперимента АТЛАС в ЦЕРН А.С. Романюк , А.И. Ходинов НИЯУ МИФИ. ИТЭФ , 24 ноября 2011. Muon Spectrometer and Inner Detector of ATLAS. Pixel (3 high res. 3D-space points): ~ 11 μm SCT (4 3D-space points): ~ 16 μm in rφ, 500 μm in r

idola
Download Presentation

ИТЭФ , 24 ноября 2011

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Газовые детекторы для модернизации эксперимента АТЛАС в ЦЕРН А.С. Романюк, А.И. ХодиновНИЯУ МИФИ ИТЭФ, 24 ноября 2011 А. Ходинов, МИФИ

  2. Muon Spectrometer and Inner Detector of ATLAS Pixel (3 high res. 3D-space points): ~ 11 μm SCT (4 3D-space points): ~ 16 μm in rφ, 500 μm in r TRT (36 measurements): ~ 130 μm Технологии для высокоточной регистрации треков мюонов: CSC: разрешение 60 μm на 1 слой детектора MDT: разрешение 80 μm на 1 трубку/350 тыс трубок 5,500 м2 В эксперименте АТЛАС в области по псевдобыстротам |h|>2.0 в условиях повышенной нагрузки более 200 Гц/см2 используются катодно-стриповые камеры CSC А. Ходинов, МИФИ

  3. Single counting rates in the Muon Chambers, Hz/cm2 LHC upgradetohappenintwophases:Lphase1~3LLHC(~2018)Lphase2~ 5-10LLHC(sLHC ~2022)BunchCrossing Phase2=25ns/50ns LLHC=1034 cm-2s-1 m Muon Spectrometer affected regions : • End-Cap Inner (CSC,MDT,TGC) • End-Cap Middle |η|>2 (MDT,TGC) Total area ~400 m2 Goal: Replace the Small Wheels (CSC+MDT+TGC) А. Ходинов, МИФИ

  4. Muon Atlas MicroMegas Activity (MAMMA)collaboration Arizona, Athens (NTU, U, Demokritos), Brandeis, Brookhaven, U Carlton, CERN, Istanbul (Bogaziçi, Doğuş), JINR Dubna, LMU Munich, MEPhI Moscow, Naples, CEA Saclay, USTC Hefei, South Carolina, Thessaloniki А. Ходинов, МИФИ

  5. MAMMA proposal for 2018 The Small Wheel of ATLAS TGC 4 chambers based on the bulk-micromegas per sector 2 x 4 layers per chamber h strips for precision (pitch ≈ 0.5–1 mm) f strips for 2nd coordinate (pitch 1–2 mm) Precision measurement and 2nd coordinate in same layer Max strip length ≈1.2 m Total number of readout channels ≈ 2 M Total number of trigger channels ≈ 30k А. Ходинов, МИФИ

  6. Why micromegas? Chambers will be operated with an Ar:CO2 (93:7) gas mixture (safe and cheap gas, no flammable components) Many good characteristics to fulfill ATLAS specs: Able to operate in high rate environment 10 kHz/sm2 Detector efficiency ~ 99% Spatial resolution 60-80 mm at angles up to 45 degree Time resolution 5 ns Level-1 trigger capabilityBCID (angle ≈ 1 mrad) 200Hz/cm2duetoneutronswithE>100keV Technology challenges: • Discharges due to heavily ionizing events • Fabricate large size chambers (~ 1x2 m2) • Frontend electronics 2M channels Micro-TPC mode of operation to improve resolution of inclined tracks А. Ходинов, МИФИ

  7. Bulk-micromegas structure The bulk-micromegas technique uses PCB production tools and methods The mesh is placed at a well controlled distance on top of a PCB, what opens the door to industrial fabrication Standard configuration • Pillars every 5 (or 10) mm • Pillar diameter ≈350 µm • Dead area ≈1.5 (0.4)% • Amplification gap 128 µm • Mesh: 325 lines/inch Pillar distance on photo: 2.5 mm А. Ходинов, МИФИ

  8. Inefficient areas 500 µm strip pitch y (mm) X (mm) MM performance at H6 CERN Ar:CF4:iC4H10 (88:10:2) • Standard micromegas • Safe operating point with excellent efficiency • Gas gain: 3–5 x 103 • Superb spatial resolution (MM + Si telescope) σMM = 36 ± 7 µm А. Ходинов, МИФИ

  9. The resistive-strip protection concept Resistive strips connected to the ground Thin insulating layer in between the resistive and readout strips AC coupling of signals Sparks are neutralized through the resistive strips to the ground 100x100 mm2 chamber with 100 mm long strips and 250 mm pitch T. Alexopoulos et al., NIM A 640 (2011) 110–118 А. Ходинов, МИФИ

  10. Stable, no HV drops, low currents for resistive MM Same behaviour up to gas gains of > 104 Sparks in 120 GeV pion & muon beams Gain ≈ 4000 8000 pions Gain ≈ 104 • Pions, no beam, muons • Chamber inefficient for O(100 ms) when sparks occur 15–20 kHz/cm2 3–5 kHz/cm2 muons pions beam off А. Ходинов, МИФИ

  11. Mesh PCB Prototype R16 with 2D readout Resistive strips y strips R16 x Resistivity values RG ≈ 55 MΩ Rstrip ≈ 35 MΩ/cm event display 55Fe γ x strips x strips: 250µm r/o and resistive strips R16 y y: 250 µm only r/o strips А. Ходинов, МИФИ

  12. R16xy R13 R11 R12 Laptop in USA15 ≈120 mm DCS mmDAQ Trigger (strips) R16 MM location on Small Wheel in cavern (side A) R ≈ 2.7±0.2 Hz/cm2 at L=1034 cm-2s-1 Measured rate in close-by MDT ≈ 8 Hz/cm2 А. Ходинов, МИФИ

  13. The first CSC-sized chamber assembled and tested at CERN • Assembly very simple, takes a few minutes • Signals routed out without soldered connectors А. Ходинов, МИФИ

  14. Разработка газовых пиксельных (GasPixel) детекторов для sLHC Комбинация пиксельной микросхемы и газовой пропорциональной камеры в одном приборе открывает новые возможности для детекторов ионизирущего излучения: • Прецизионное измерение координаты (существенно лучшее, чем разрешение • определяемое диффузией электронов) • Восстановление треков частиц на основе векторной информации • Отличное многотрековое разрешение • Мощные возможности по распознаванию треков частиц при высоких загрузках • Возможности организации трекового Level1-trigger во внутреннем детекторе АТЛАС • Улучшение идентификации типов частиц с использованием переходного излучения за счет детальной информации на следе частицы. А. Ходинов, МИФИ

  15. Газовый дрейфовый объем (около 16 мм) Сетка которая обеспечивает газовое усиление в промежутке ~50 mm ~50 mm ~ -500 V 55 mm Пиксельная микросхема Принцип работы GasPixel детектора Детектор позволяет восстановить 3-х мерное изображение участка трека частицы Траектория частицы Первичные электроны А. Ходинов, МИФИ

  16. Возможности в сильной степени определяются свойствами газа Газовая смесь на основе ксенона (необходимая компонента для регистрации переходного излучения) Газ с малой диффузией DME/CO2 (50/50), Электрон без переходного излучения Электрон с кластерами переходного излучения А. Ходинов, МИФИ

  17. Cluster counting 2-х слойный детектор обеспечивает фактор подавления пионов ~ 50при 90% эффективности регистрации электронов Результаты первых испытаний на тестовом пучке частиц в ЦЕРН Зависимость вероятности определения пиона как электрона от требований на эффективность регистрации электрона. А. Ходинов, МИФИ

  18. Результаты первых испытаний на тестовом пучке в ЦЕРН Координатное и угловое разрешение с газом с низкой диффузией DME/CO2 (50/50) s = 11.5 mm s = 0.6o Получена рекордная координатная точность для газовых камер Угловое расcечение соответствует точности определения импульса частицы 15% при pT=40 GeV в одном слое детектораАТЛАС А. Ходинов, МИФИ

  19. Summary • Micromegas: • Created and tested series of prototypes with bulk-micromegas detectors. The results of studies with beams allow us proposing to equip the ATLAS SW with resistive-strip bulk-micromegas detectors • The detectors deliver at the same time a track angle-based Level-1 trigger signal and measure the trajectory with a precision far better than 100 µm • Each layer delivers a track segment and the second coordinate making it a very powerful tool for pattern recognition and fake–track rejection • The system comprises about 2M readout channels but only ≈30k trigger channels • The active parts of the detectors will be produced in industry, assembly and testing in participating institutes • GasPixel: • GasPixel can be used as an Outer Tracker with L1 track trigger featuresto significantly improve ATLAS performance at high luminosity. • A single layer GasPixel can provide a space point accuracy of about 11 mkm and momentum resolution of about 15% at Pt = 40 GeV. • An application of this technique to the real detector requires a 3D Front-End electronics. А. Ходинов, МИФИ

  20. Back up А. Ходинов, МИФИ

  21. Small Wheels trigger and readout New BNL-designed chip: 64 channels On-chip zero suppression Amplitude and peak time finding Trigger out: address of first-in-time channel with signal above threshold within BX Data out: digital output of charge & time for channels above threshold + neighbor channels Trigger signals and data driven out through same GigaBitTranceiver (one board/layer) Trigger: track-finding algorithm in Content-Addressable Memory; latency estimated 25–32 BXs Small data volumes thanks to on-chip zero-suppression and digitization А. Ходинов, МИФИ

  22. Micromegas and sparks • Sparks are a well-known phenomenon in MMs • In standard MMs sparks lead to short HV breakdowns and inefficiencies, but usually do not create any damage • The spark problem was solved by adding a layer of resistive strips above the readout electrode, separated from it by an insulating layer • The concept was thoroughly & successfully tested in the lab (55Fe source, Cu X-ray gun, cosmics), H6 hadron & muon beams, and with 5.5 MeV neutrons • Sparks are no longer a problem: thanks to the resistive strips they are reduced to a local perturbation with voltage drops below 0.5 V А. Ходинов, МИФИ

  23. MM with resistive strips operated perfectly well, No HV drops, small spark currents up to gas gains of 2 x 104 Performance in neutron beam • Standard MM could not be operated in neutron beam • HV break-down and currents exceeding several µA already for gains of order 1000–2000 Standard MM Resistive MM А. Ходинов, МИФИ

  24. Large resistive MM R19 with 2D readout MM setup in H6 test beam (July 2011) А. Ходинов, МИФИ

More Related